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미국 내 수송연료로서의 천연가스 사용 전망

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-07-09 12:47:55

본문

1. 서론
최근‘셰일가스’라고 하는 생소했던 단어가 국내 뿐 아니라 세계 각국의 미디어를 통해 자주 등장하고 있으며 이 새로운 연료에 대한 관심은 가히 폭발적이라 할 수 있다. 본 고에서는 미국에서 촉발된, 좀더 정확히 말하면 필자가 살고 있는 미국 텍사스주 남서부 지방에서 시작된 셰일가스의 열풍에 대해 알아보고 나아가 이 새로운 연료가 미국 수송시장에 미치는 영향과 그 전망, 그리고 이에 대응하는 미국 자동차/엔진 제조업체들의 기술개발 현황에 대해 살펴보고자 한다.

글 / 주신혁 (Southwest Research Institute)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 5월호

2. 셰일가스란 무엇인가
‘셰일가스’는 혈암(Shale) 지층에서 나오는 천연가스를 말한다. 혈암은 진흙이 굳어진 암석으로 지표면에 노출되어 있는 경우에는 그림 1과 같은 형태를 보인다. 셰일가스가 처음으로 시추된 것은 지금으로 부터 약 2세기 전이었다. 1821년 미국의 뉴욕주에서 지표면에서 깊지 않은 특별한 구조의 셰일지층에서 처음으로 시추가 되었으나 저장량이 많지 않고 시추에 소요되는 비용이 커서 상업적으로 주목을 받지 못하였다.

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이후 1930년대에 미국에서 초기 형태의 수평시추기술이 처음으로 성공하고 1947년에 역시 미국에서 고압의 액체로 셰일지층을 파쇄하여 가스 채굴효율을 높이는 기술이 개발되었으나 그림 2와 같이 그 당시 비용이 많이 드는 수평시추가 필요 없이 저비용의 수직시추로 채굴이 가능한 일반적인 천연가스전이 풍부했던 관계로 대규모의 상업적 채굴로 연결되지 않았다.

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이후 셰일가스를 경제적인 비용으로 안전하게 채굴하는 기술 개발을 위한 노력이 미국 정부 주도로 이루어졌다. 특히 1970년대 1차 오일쇼크 이후 미국 정부는 각종세제 해택과 직접 연구비 지원 등의 형태로 기술 개발에 박차를 가하여 2000년대 들어서 상업적인 의미를 갖는 채굴 기술이 완성됨에 따라 셰일가스가 비로소 각광 받기 시작하였다.

3. 셰일가스전은 어디에
미국 최대의 셰일가스전은 그림 3에 별표로 위치를 표시한 필자가 살고 있는 텍사스주 샌안토니오시 남쪽으로 길게 멕시코와 미국의 국경까지 연결되어 있는 이글포드 가스전이다. 2011년 12월 기준으로 1,000개가 넘는 유정과 가스정이 가동되고 있으며 3,000개가 넘는 시추권이 허가되어 있는 곳이다.

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이곳은 100년 전 텍사스에서 석유가 처음 발견되어 하룻밤 사이에 백만장자가 된 농장주들이 속출한 곳이었으나 석유채굴이 끝난 후 거의 버려지다시피 한 지역으로 이후 원유가격이 오를 때마다 간헐적으로 다시 원유채굴이 이루어졌으나 최근까지 각광 받지 못하던 곳이다. 그러나 최근 셰일가스 붐을 타고 제 2의 텍사스 드림이 일어나고 있다.

일례로 필자가 몸담고 있는 SwRI (Southwest Research Institute)에서 30년이 넘게 기술직으로 근무하던 사람이 할아버지로 부터 물려받았으나 쓸모가 없어 방치해 두었던 땅에 대한 가스 시추권을 양도하고 그 다음날로 은퇴한 바도 있다.

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미국에는 텍사스주의 이글포드 셰일가스전 이외에도 그림 4에서 보듯이 수많은 가스전들이 존재한다. 서부의 로키산맥과 동부의 애팔래치안산맥 사이가 모두 가스전이라고 해도 과언이 아닐 정도로 셰일가스전이 광범위하다.

4. 셰일가스 매장량은
미국의 가용 천연가스 매장량은 상업적 수평시추기술과 Fracturing 기술이 완성됨에 따라 크게 늘어났다. 아직도 시추기술이 계속 발전되고 있고 상업성에 대한 명확한 근거를 찾기가 거의 불가능하기에 정확한 사용가능한 천연가스 매장량을 추정하기는 어려운 것이 사실이나 미국의 EIA(Energy Information Administration)은 2011년 기준으로 2203 Tcf(Trillion Cubic Feet)가 가용하다고 추정하였으며 2011년 미국의 연간 총 사용량인 24 Tcf를 기준으로 앞으로 96년간 사용이 가능하다는 추산을 내놓은 바 있다. 기관에 따라 가용 매장량에 대한 추정치가 매우 크게 변동하는 상황이지만 한가지 명확한 사실은 셰일가스의 출현으로 미국 내 천연가스 생산량이 크게 증가하고 있다는 것이다.

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그림 5에서 볼 수 있듯이 2000년을 정점으로 줄어들고 있던 미국 내 천연가스 생산량이 2000년대 중반 셰일가스 생산량 증가에 힘입어 총 생산량이 증가하고 있다. EIA에서는 미국 내 총 생산량이 2035년까지 셰일가스 이외의 천연가스 생산량이 줄어듬에도 불구하고 계속 증가하여 2035년에는 셰일가스가 총 생산량의 49%를 차지할 것으로 예상하였다.

5. 미국 내 수송연료로서 천연가스의 장단점
천연가스가 미국 내에서 수송연료로서 갖는 장점은 가격적인 면이다. 그림 6은 1997년부터 2012년까지의 Million BTU 당 디젤과 천연가스 가격을 미국 달러화로 표시한 것이다. 1997년부터 2008년까지는 두 연료가 연동하여 함께 움직이나 셰일가스가 본격적으로 각광받기 시작한 2009년부터 천연가스 가격은 디젤가격의 상승에 도 불구하고 일정하거나 오히려 내려가는 추세이다.

이와 같은 새로운 추세는 소비자 가격에도 영향을 미쳐 그림 7과 같이 2009년에서 2011까지의 디젤연료의 급격한 가격상승에도 천연가스는 꾸준히 하락하여 현재는 같은 BTU 당 천연가스의 가격이 디젤의 약 60% 수준이며 EIA는 이와 같은 추세가 2035년까지 계속될 것으로 추정하였다.

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다양한 인자들이 복잡하게 영향을 미치는 연료가격을 추정하는 것은 매우 어려운 일이며 그림 7의 EIA 추정치는 다소 낙관적인 면이 있다고 할 수 있겠다. 그러나 현재의 상황과 추세에 근거한다면 천연가스가 가격적인 측면에서 매력적인 연료임에는 반론의 여지가 없다.

그렇다면 천연가스가 수송연료로서 미국 내에서 주도적인 역할을 하기 위해서 넘어야할 문제점들을 뽑아 본다면 역시 연료재 주입을 위한 인프라 문제와 고압 연료저장 장치에 들어가는 비용이다.

2012년 5월 현재 미국내 천연가스 주유소는 1,047개로 집계되었다. 이 중 약 52%가 개인소유의 주유소이며 나머지는 연방정부 또는 주정부가 운영하는 시설들이다. 미국의 광대한 면적을 고려하면 턱없이 부족한 현실이며 특히 그림 8에서 보듯이 전국적으로 골고루 분포되어 있는 것이 아닌 캘리포니아와 알칸소 그리고 매사츄세츠주에 절반 이상이 집중되어 있다.

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그러나 천연가스가 각광을 받음에 따라 최근에는 이와 같은 문제점 해결을 위해 고속도로 주변을 중심으로 천연가스 충전소가 활발히 건설되고 있다. 주요 인프라 구축 사업으로는 아래와 같은 것들이 있다.

- Interstate Clean Transportation Corridor
- Pennsylvania Clean Transportation Corridor
- I-15 Corridor
- Texas Clean Transportation Triangle

특히 천연가스 충전소 건설을 장려하기 위해 충전소 건설비용의 50%에 달하는 비용을 세금 공제하여 주는 제도를 운영 중에 있다. 저비용으로 많은 충전소를 건설하기 위한 기술개발도 이루어져서 최근 GE(General Electric)에서는‘Ecomagination’이라고 하는‘CNG in a Box’개념의 장비를 개발하여 2012년 하반기부터 판매를 시작하였다.

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그림 9의 개념도가 보여주듯이 모든 장치들이 컨테이너 박스 하나에 집적되어 있어 주로 고속도로를 따라 연결되어 있는 CNG 보급 파이프라인에‘PnP(Plug and Play)’형식으로 간단히 설치만 하면 바로 사용이 가능한 장비이다. GE에 따르면 우선적으로 250기를 보급할 계획이므로 이것만으로도 2012년 5월 1,047개 충전소에서 거의 25%의 충전소가 증가되게 된다.

이와 같이 고속도로 주변부터 천연가스 충전소를 설치하는 것은 고속도로에서 주로 운용되는‘18 Wheeler’라 불리는 미국 화물 수송용 트레일러 트럭을 겨냥한 계획이다. 주정부와 연방정부 그리고 개인 업체들이 활발히 추진 중인 충전소 건설 사업이 어느정도 마무리가 되면 천연가스를 사용하는 수송용 트럭들이 미국 전역으로 고속도로를 통하여 화물을 수송함에 필요한 충전소는 확보가 될 것으로 판단이 된다.

천연가스 승용차의 보급을 위한 도심과 주거지 주변의 충전소 건설은 아직 요원해 보인다. 이에 미국 정부는 저비용의 가정용 충전장비 개발에 노력을 기울이고 있는 것으로 보인다. 일례로 최근 DOE(Department of Energy)에서는 약 100억 원 규모의 연구비를 저비용 급속충전기 개발을 위해 GE, Eaton, UT Austin 등으로 구성된 세 개의 R&D 컨소시엄에 지원한 바 있다.

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개발 목표는 기기 당 500달러 수준의 가격(현재 구매 가능한 장비는 약 5,000달러)과, 충전시간 1시간 이내(현재 장비는 약 5시간)이다. 이와 같은 접근 방식은 주거형
태가 대부분 고층 아파트인 국내에는 적합하지 않으나 대부분의 가정이 차고가 달려있는 단독주택에 살고 있고 각 가정마다 요리와 난방을 위해 천연가스 파이프라인이 들어와 있는 미국에서는 적합한 보급방식이라 하겠다.

충전과 관련된 문제가 해결된다 하더라고 천연가스를 수송용으로 사용하기 위해 넘어야할 애로점은 고압 연료저장과 관련된 비싼 차량 가격이다. 사실 천연가스를 연료로 사용한 최초의 차량은 이미 1910년도에 미국에서 개발된 바 있다. 그림 10에 보이듯이 이 우스꽝스런 모습의 차량에서 고민거리는 아마도 짧은 운행거리와 불안정성이 아니었을까 하고 생각한다. 물론 100여년간의 시간이 흐르면서 현재의 장거리 운행이 가능하고 안전한 고압 연료 저장 시스템이 개발되었으나 대신 예전의 저렴한 비용은 포기하여야만 하였다.

현재의 고압저장 탱크는 디젤의 에너지로 환산한 갤런당 연료탱크 비용이 약 350달러에 달하며 미국의 Class 3 트럭의 경우 연료탱크의 크기에 따라 8,000~30,000달러에 이르는 가격이다. 물론 미국 정부에서도 천연가스 차량 보급을 확대하기 위해 디젤이나 가솔린 차량대비 추가 비용에 대해 세금공제 혜택을 주고, 신차 구매비용의 일정 부분을 구매자에게 지원해주는 법안을 운용중이라고는 하나 이는 어디까지나 한시적인 것이며 가격이 내려가지 않는 한 종국에는 대규모 보급에 어려움을 겪을 것이다.

이에 천연가스 차량에서 가장 고가의 부품인 연료저장탱크를 저렴하게 양산할 수 있는 기술개발을 위한 노력이 계속 되어온 바 있다. 최근 이러한 노력에 힘입어 가시적인 성과가 얻어졌는데 대표적인 것이 ANG(Adsorbed Natural Gas) 저장탱크 기술이다.

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이는 그림 11에 보이듯이 기존의 압축식이 아닌 활성탄 등을 이용한 흡착식 연료저장 기술인데 저압으로도 많은 천연가스를 저장할 수 있어 연료탱크를 저가로 제작할 수 있으며 또한 기존의 실린더 형태가 아닌 다른 형상으로 제작하여도 내압을 견딜 수 있으므로 차량 장착성을 크게 개선할 수 있다. ANG 기술을 이용하면 연료자체를 압축하는데에 소요되던 비용 또한 저감시킬 수 있고 저장탱크의 무게도 약 20% 정도 가볍게 할 수 있는 장점이 있다.

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그림 12에서 ANG 저장탱크의 장점을 더욱 명확히 확인할 수 있다. 기존의 200기압(20MPa) 천연가스 탱크와 비교하여 ANG 탱크는 미국의 천연가스 파이프라인 압력인 35기압에서 이미 그 70% 정도의 연료를 엔진에 공급할 수 있음이 보인다(ANG의 저장 능력은 압축식 대비 약 85%에 달하나 흡착 현상의 특성상 공급능력은 이보나 낮은 70% 정도이다). 이는 천연가스 충전소를 별도의 압축 설비 없이 미국 전역에 펼쳐져있는 파이프라인에 연결만 하면 건설할 수 있게 하므로 그 경제적인 의미가 매우 크다.

6. 천연가스 차량의 미국 내 현황
현재 미국에서 천연가스가 수송용으로 쓰이는 경우는 통학버스, 시내버스, 우편배달 트럭, 쓰레기 수거 트럭 등 주로 운행 구간이 정해져 있어서 일일 운행 후 정해진 충전소에서 재충전을 할 수 있는 경우로 국한되어 있다.

그러나 최근 정부 주도로 진행되어지고 있는 고속도로주변 충전소 건립 사업에 힘입어 미국 전역을 운행하는 화물 운반용 트레일러 트럭을 중심으로 그 적용 사례가 늘어나고 있는 추세이다. 화물 트럭들은 연간 주행거리가 매우 크기 때문에 초기 구입 비용이 다소 높다하더라고 연료값이 저렴한 천연가스를 사용할 경우 그 초기 비용을 단기간에 회수할 수 있어 더욱 매력적이라 하겠다.

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2012년 미국 트럭 박람회에서는 이와같은 이유로 Kenworth, Peterbilt, International, Damler Truck, Volvo Truck 등 유수의 트럭 제조 업체에서 천연가스
엔진 트럭을 선보이고 그 판매를 예고한 바 있다. 그림 13에서 보듯이 오래동안 미국 내에서는 Cummins의 8.9ℓISLG가 거의 유일한 대형 천연가스 엔진이었고 최근 국내의 두산인프라코어가 출시한 GK12엔진이 유일한 대안이었다. 그러나 이 박람회에서는 거의 모든 트럭 제조업체들이 Cummins가 화물트럭용으로 개발한 12L 천연가스 엔진인 ISX12G의 장착을 발표하였고 추후 2014년 1월 출시 예정인 Cummins의 15L 엔진인 ISX15G 장착도 예고하였다. 이는 오랜동안 천연가스 대형트럭에 부정적으로 대응하던 트럭 제조업체들을 고려할 때 커다란 변화이다.

승용차와 소형 트럭, 미니밴 시장은 화물운송용 트럭시장에서 현재 생산되고 있는 차량들에는 다음과 같은 것들이 있다.

- Honda Civic GX : 1.8ℓ
- Chevrolet Express & GMC Savanna Vans : 6.0ℓ
- Ford Transit Connect Van (VPG, LLC) : 4.6ℓ
- Dodge Ram 2500 : 5.7ℓ
- Vehicle Production Group MV-1 : 4.6ℓ

이외에 천연가스 엔진으로의 개조 키트 또한 구매가 가능한데 이에는 다음과 같은 것들이 있다.

- Chrysler, 4.7ℓ엔진, 3개 차종
- Ford, 2.0, 2.3, 2.5, 4.6, 5.4, 6.2, 6.8ℓ엔진, 다수
차종
- GM , 3.5, 3.9, 4.8, 5.3, 6.0, 6.2ℓ엔진, 다수 차종

7. 천연가스의 수송용 연료로서의 미국 내 전망
최근 천연가스 사용을 적극 장려함으로써 미국의 오랜숙원이었던 중동 국가들로부터의 에너지 독립을 이룩하기 위한 정부의 의지와 (미국 오바마 대통령의 제2기 취임사에서도 천연가스 사용확대 의지를 언급한 바 있다. 이는 재생에너지에 초점을 맞추었던 제1기와는 변화된 모습이다) 이에 따라 현실화 되고 있는 고속도록변 충전소 건립, 이에 보조를 맞추어 천연가스 엔진을 새로이 개발하고 양산계획을 발표하고 있는 엔진 제조업체들, 이러한 천연가스 엔진을 사용하는 트럭 출시계획을 발표하는 트럭 제조업체들을 고려해 볼 때 미국 내에서 천연가스의 화물 수송용 연료로의 사용 전망은 매우 밝아 보인다.

승용 시장의 경우 화물운송 트럭 시장에 비해 충전소 건립의 문제 등으로 천연가스 차량 보급에 좀더 시간이 필요할 것으로 판단된다. 그러나 미국 정부는 2017년부터 본격적으로 시작되는 CAFE(Corporate Average Fuel Economy) 제도에서 승용 천연가스 차량에 대해 파격적인 인센티브를 제공함으로써 그 보급을 앞당기려 노력하고 있다.

제공되는 인센티브는 두가지가 있는데 하나는 천연가스 차량의 연비에 대해 실제 연비보다 더 높게 인정해주는 것이 있고 또 하나는 천연가스 차량 판매 대수를 실제보다 더 높게 산정해 주는 방식이다. 즉, 천연가스 차량의 연비를 가솔린의 열량으로 환산한 실제 연비에 6.67배를 인정해주고 이와는 별도로 천연가스 차량 1대를 판매하면 이를 1.6대로 산정해준다.

예를 들어서 만약 천연가스 차량이 CAFE 기준 연비에 훨씬 못 미치는 평균연비 24.5MPGe를 갖는다고 하면 이 차량에 대해 CAFE 연비를 계산할 때는 이 실제 연비의 6.67배인 163.3MPGe로 인정해 준다. 또 만약 이러한 차량을 10,000대 판매하였다고 하면 이를 16,000대를 판매한 것으로 간주해 준다.

따라서 이 계산에 따르면 2025년 CAFE 규제치인 54.5MPGe보다 30MPGe(54.5-24.5MPGe)나 나쁜 천연가스 차량을 10,000를 판매하더라도 Penalty가 아닌 오히려 1,741,000MPGe((163.3-54.5MPGe)×10,000×1.6 = 1,741,000)라는 엄청난 인센티브를 받을 수 있다.

이는 천연가스 차량과 동일하게 24.5MPGe의 연비를 갖는 휘발유차량 58,000대의 Penalty를((24.5-54.5 MPGe)×58,000 = - 1,740,000) 상쇄하고도 남는 인센티브이다. 따라서 CAFE 규제를 맞추는데에 부정적인 영향을 미치지만 수익성 면에서 매력을 갖는 고급 대형차를 판매함으로써 받게 될 Penalty를 천연가스 차량을 판매함으로써 상쇄하려는 시도가 있을 것으로 생각이 되며 이는 이렇게 해서라도 천연가스 차량 보급을 꾀하는 미국 정부의 의도와도 일치한다.

따라서 CAFE 규제가 본격화되면 승용 천연가스 차량판매가 현재 대비 늘어날 것으로 전망된다. 그러나 비싼 차량가격 문제가 선결되어 소비자들이 실제적인 경제적 이익을 볼 수 있다고 판단할 때 본격적인 보급이 이루어지는 것은 자명해 보인다.

8. 천연가스 엔진개발 동향
앞에서 언급한 바와 같이 오랫동안 Cummins ISLG엔진이 독점하던 미국 상용 천연가스 엔진 시장에 국내의 두산인프라코어가 진출한지도 벌써 2년 여가 지났다.

현재 개개의 엔진 제조업체들이 오랫동안 등한시해 왔던 새로운 천연가스 엔진 출시계획을 발표하는 것을 보면 시장 선점의 측면에서 현명한 판단이었다고 생각한다. 새로운 천연가스 엔진개발의 필두에는 미국의 Cummins가 있다. 이미 12L ISX12G가 시판되고 있으며 15L ISX15G가 내년 1월 양산을 기다리고 있다. 또한 미국의 Navistar도 기존의 MaxxForce13 엔진을 개조한 혼소엔진 양산 계획을 발표하였다. 실제로 필자가 몸
담고 있는 SwRI로 다수의 엔진 제조사로 부터 천연가스 개발 관련 제안서 요청이 답지하는 실정이다.

위의 엔진 제조사 중심의 연구개발과는 별도로 미국정부 주도의 노력 또한 경주되고 있는데 그 대표적인 예가 NREL(National Renewable Energy Laboratory)주도의 정부 과제이다. NREL은 DOE(Department of Energy), CEC(California Energy Commission) 그리
고 SCAQMD(South Coast Air Quality Management District)와 합동으로 약 140억 원의 연구비를 조성하여 천연가스 엔진개발 지원사업을 수행하고 있다. 필자의 회사인 SwRI는 이 중 약 40억 원의 연구개발비를 지원 받아 국내 두산인프라코어와 합작으로 Cummins의 ISX12G와 경쟁을 벌일 11L 상용 천연가스 엔진개발 과제를 수행하고 있다.

저압 EGR, 이론공연비 엔진으로 개발 중이며 2014년 완료를 목표로 성능과(340마력 1,200ft-lb) 에미션 개발(현 미국 On-highway 규제)을 마친 상태이며 내구성 검증 시험을 수행 중에 있다.

출처 : http://www1.eere.energy.gov/cleancities/pdfs/ngvtf11_doosan.pdf

9. 결론
수평시추기술과 Fracturing 기술이 완성됨으로써 오랫동안 상업적으로 주목 받지 못하였던 셰일가스에 대해 미국을 중심으로 관심이 쏟아지고 있다. 셰일가스의 증산 덕분에 천연가스의 가격이 디젤 연료 대비 약 60% 선에서 안정화되고 이에 중동 국가로부터의 에너지 독립을 갈망하는 미국 정부의 의지가 더해지면서 미국 전역의 고속도로망을 따라 천연가스 충전소가 활발히 건설되고 민관주도의 기술개발이 계속되어지고 있다. 이에 천연가스의 수송연료로서의 미국 내 전망은 밝아 보인다. 특히, 주행거리가 매우 길어 초기 구매비용 보다는 연료비와 같은 운영비용이 더욱 중시되는 화물 운반용 트럭의 천연가스 사용 비중이 크게 늘어날 것으로 전망된다.

그러나 이와는 달리 주행거리가 크지 않아 초기 구매 비용 증가 회수에 보다 오랜 기간이 걸리는 승용차나 소형 트럭 시장의 경우에는 미국 정부가 각종 세제 혜택과 CAFE와 같은 법규를 통해 천연가스 차량의 보급을 확대하려 모색하고 있으나 고압연료탱크와 관련된 비싼 가격문제 해결이 선결되어야 대규모의 보급이 가능할 것으로 전망된다.
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